Análise CFD do escoamento da mistura ar - combustível no interior de um elemento de um queimador atmosférico

Abstract

Mediante a imposição de restrições legais no que respeita à emissão de poluentes (nomeadamente, NOx e CO), torna-se necessária a adoção de estratégias de controlo sobre os parâmetros de combustão, mesmo ao nível dos equipamentos domésticos de produção de AQS. No caso dos queimadores atmosféricos, as flautas com ancoramento por chama piloto consistem em elementos modulares que, por oposição às flautas convencionais, introduzem substanciais melhorias como sejam o incremento do rácio ar/combustível e a promoção de maior homogeneidade da mistura descarregada ao nível dos orifícios de chama, com consequente redução da emissão de NOx. A emergência das potencialidades computacionais e dos métodos CFD colmatam parte dos obstáculos interpostos pelos projetos de otimização com recurso a métodos experimentais, que se revelam altamente dispendiosos quando comparados com os primeiros. Este trabalho recorre-se do software ANSYS Fluent para simular o escoamento da mistura ar - combustível no interior de uma flauta com ancoramento de chama. Inicialmente é adiantada uma revisão sumária no âmbito da temática de jatos turbulentos, já que o seu estudo é de crucial importância para a compreensão dos mecanismos de mistura e de entrainment − fenómenos relevantes no cômputo geral do problema em análise. A par disso, o demais exposto poderá constituir objeto de estudo para quem, no domínio da engenharia, procure iniciar-se nas práticas CFD. Nesse contexto, são explorados de forma sucinta os seguintes tópicos: modelação de escoamentos turbulentos, método de discretização do domínio, aplicação de condições de fronteira, rotina de cálculo iterativo (solver computacional), método de validação de malhas e convergência de resultados. A simulação do escoamento da mistura ar - propano no interior da flauta com ancoramento por chama piloto conduziu aos resultados seguintes: rácio mássico ar/combustível igual a 5.08 para o percurso principal e igual a 1.48 para o percurso secundário. Verifica-se que a mistura é praticamente homogénea ao longo de toda a cabeça da flauta.

According to new policies on what pollutant emissions is concerned, it became necessary to conceive strategies to control combustion parameters, even in the domain of domestic hot water production appliances. Regarding atmospheric burners, low NOx gas burner elements, as opposed to conventional ones, introduce significant improvements, as the increase of the air/fuel ratio and the enhancement of mixture homogeneity which is discharged through the flame outlets. Both computational potentialities and CFD methods overcome part of the difficulties that are placed by the optimization studies based in experimental methods, the latter being very costly when compared to the first methods referred. The ANSYS Fluent software is used in this work as a tool for the simulation of the air - fuel mixture flow inside the low NOx gas burner element. Firstly, in the context of turbulent jet flows, a brief state of the art is presented. The main studies on the theme were analysed since it appears to be crucial to have a good comprehension on the mixing and entrainment mechanisms as they are relevant phenomena for the analysed problem as a whole. To some extent, early on the present work, important issues are explored which might interest those who are being introduced to CFD practices, especially engineer students. The following subjects are approached: turbulent flow modelling, spacial discretization methods, iterative computing routines, boundary conditions approach and validation methods of grids and convergence. The air - propane mixture simulation inside the low NOx gas burner element lead to the following results: 5.08 for the air/fuel ratio in the primary path and 1.48 in the secondary one. The mixture which flows through the flame outlets is practically homogeneous along the entire top of the burner element.